徐詠梅 樂文強(qiáng)

摘? 要：近年來，無人機(jī)的發(fā)展受到越來越多的關(guān)注，其主要部件機(jī)翼結(jié)構(gòu)的疲勞分析對(duì)無人機(jī)的安全飛行起到十分重要的影響。該文通過對(duì)無人機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)建模，然后采用流固耦合的方法在ANSYS Workbench中模擬計(jì)算出機(jī)翼正常飛行狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變分布和形變情況，并使用應(yīng)力疲勞分析理論，將機(jī)翼強(qiáng)度運(yùn)算結(jié)果結(jié)合材料S-N曲線在nCode疲勞分析軟件中計(jì)算分析該無人機(jī)機(jī)翼的損傷和疲勞壽命。結(jié)果表明，該無人機(jī)機(jī)翼疲勞壽命的最小值和損傷的最大值都出現(xiàn)在主翼梁與機(jī)身連接的根部，為后續(xù)無人機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)提供另一種參考方法。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；機(jī)翼；有限元；疲勞壽命；損傷

中圖分類號(hào)：V241? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2024）08-0011-05

Abstract： The development of drones has attracted more and more attention in recent years， and fatigue analysis of the main components， the wings， has a significant impact on the safe flight of the unmanned aerial vehicle （UAV）. This paper proposes a modeling approach to assess the stress， strain and deformation properties of unmanned aircraft wing structures. Then the structure was modeled by a fluid-structure coupling approach and analyzed in ANSYS Workbench under normal flight conditions. The stress fatigue analysis theory was applied to calculate the damage and fatigue life of the wing using the strength calculation results combined with the material S-N curve in nCode DesignLife software. The results showed that the minimum fatigue life and maximum damage occurred at the root of the main wing spar and the fuselage connection， which provided a new reference method for the fatigue design of the UAV wing structures.

Keywords： UAV; wing; finite element; fatigue life; damage

無人機(jī)是一種由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、機(jī)上無駕駛員、可重復(fù)使用的航空器，自誕生以來備受矚目。無人機(jī)具有許多優(yōu)勢(shì)，包括成本低、性價(jià)比高、無人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)、生存能力強(qiáng)、機(jī)動(dòng)性能好和使用方便等，因此，無人機(jī)最早在軍事領(lǐng)域得到應(yīng)用，并且如今也越來越多地應(yīng)用于民用領(lǐng)域，如航測(cè)、航拍、植保等。在軍用和民用領(lǐng)域中，固定翼無人機(jī)是最常見的類型。其具有速度快、載重量大、航程遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，在戰(zhàn)場(chǎng)偵察、目標(biāo)識(shí)別和打擊、航測(cè)、航拍、土地規(guī)劃、邊境巡邏和資源勘探等眾多領(lǐng)域中承擔(dān)著重要地位。然而，隨著無人機(jī)的廣泛使用，人們?cè)絹碓疥P(guān)注無人機(jī)自身結(jié)構(gòu)的安全問題。

眾所周知，機(jī)翼是固定翼無人機(jī)整體結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件，在承受重力負(fù)荷、氣動(dòng)載荷、干擾載荷方面發(fā)揮著重要作用。機(jī)翼既產(chǎn)生升力以承受無人機(jī)自身的重力，還要在飛行過程中與周圍大氣相互作用，經(jīng)受各種氣動(dòng)載荷和復(fù)雜的干擾載荷。這些載荷對(duì)機(jī)翼表面的壓力分布和力矩產(chǎn)生影響，從而可影響無人機(jī)整體結(jié)構(gòu)的可靠性。特別地，承受重力載荷的機(jī)翼在復(fù)雜的氣動(dòng)載荷和干擾載荷的作用下，容易發(fā)生疲勞破壞。疲勞破壞是由于長(zhǎng)時(shí)間或重復(fù)加載下機(jī)翼材料出現(xiàn)應(yīng)力集中、裂紋擴(kuò)展和最終失效而引起的。機(jī)翼的疲勞破壞對(duì)無人機(jī)整體結(jié)構(gòu)造成損害的同時(shí)也會(huì)對(duì)飛行安全構(gòu)成威脅[1]。因此，無人機(jī)機(jī)翼必須滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耐疲勞的要求，從而保證其安全有效地執(zhí)行相應(yīng)飛行任務(wù)。

本文將通過疲勞分析方法和有限元仿真的結(jié)合研究，求出無人機(jī)機(jī)翼巡航飛行時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變情況，并進(jìn)一步對(duì)機(jī)翼結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞分析，對(duì)后續(xù)的無人機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。

1? 結(jié)構(gòu)疲勞分析理論

無人機(jī)機(jī)翼疲勞分析的關(guān)鍵是預(yù)測(cè)無人機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。疲勞壽命是材料或結(jié)構(gòu)從投入使用直至破壞所受到的循環(huán)載荷的作用次數(shù)或時(shí)間[2]。結(jié)構(gòu)的零、構(gòu)件在變幅循環(huán)載荷下的疲勞壽命是由構(gòu)成變幅載荷譜的不同載荷水平及其循環(huán)次數(shù)共同決定的。每種載荷水平，每循環(huán)一次都會(huì)給零、構(gòu)件的疲勞壽命帶來一定的影響。因此，要分析結(jié)構(gòu)在變幅循環(huán)載荷下的疲勞壽命，就必須要定量評(píng)價(jià)不同載荷水平每循環(huán)一次對(duì)結(jié)構(gòu)壽命的影響，這種影響在線性疲勞損傷累計(jì)理論中作為損傷的物理量來引入。

在最經(jīng)典的Miner線性理論[3]中，某等幅循環(huán)應(yīng)力的作用下，結(jié)構(gòu)的疲勞壽命為N，那么受到該應(yīng)力水平n次循環(huán)作用后，結(jié)構(gòu)所受到的損傷D如式（1）所示

D=， （1）

式中：D為損傷；n為應(yīng)力水平循環(huán)次數(shù)；N為疲勞壽命。

n的取值范圍為0～N，值為0或N時(shí)，結(jié)構(gòu)損傷值為0或1，說明結(jié)構(gòu)沒有受到損傷或結(jié)構(gòu)已經(jīng)完全發(fā)生疲勞破壞。

對(duì)于變幅載荷，如果結(jié)構(gòu)在k個(gè)循環(huán)應(yīng)力水平作用下，各經(jīng)受ni次循環(huán)，則其受到的總損傷如式（2）所示

D=∑， （2）

式中：D為損傷；k為循環(huán)應(yīng)力水平個(gè)數(shù)；ni為第i個(gè)應(yīng)力水平的循環(huán)次數(shù)；Ni為第i個(gè)應(yīng)力水平作用下的疲勞壽命。

并且當(dāng)總損傷D=1時(shí)對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)已經(jīng)完全損傷，疲勞破壞將發(fā)生。式（2）中與不同應(yīng)力水平對(duì)應(yīng)的壽命Ni，需要根據(jù)材料的S-N或者E-N曲線確定。

無人機(jī)機(jī)翼的疲勞分析問題通常比較復(fù)雜，在對(duì)整體結(jié)構(gòu)的疲勞壽命與損傷分析之前，還要對(duì)機(jī)翼的應(yīng)力應(yīng)變情況進(jìn)行分析。機(jī)翼結(jié)構(gòu)的疲勞分析問題通常分為應(yīng)力疲勞和應(yīng)變疲勞2種類型，應(yīng)力疲勞也稱為高周疲勞，是一種經(jīng)典的疲勞分析方法，基于材料的S-N曲線，其結(jié)構(gòu)所受的循環(huán)應(yīng)力水平低于材料的屈服強(qiáng)度，處于彈性形變范圍內(nèi)。應(yīng)變疲勞也稱為低周疲勞，以材料的E-N曲線為基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)所受的循環(huán)應(yīng)力水平大于材料的屈服強(qiáng)度，以材料的塑形變形為主。隨著數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)分析技術(shù)的不斷提升，相關(guān)研究者也總結(jié)出了常用的結(jié)構(gòu)疲勞分析方法[1]：名義應(yīng)力法、局部應(yīng)力應(yīng)變法、應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)法[4]等。在這些方法中，名義應(yīng)力法適用于應(yīng)力疲勞分析問題，局部應(yīng)力應(yīng)變法適用于應(yīng)變疲勞分析問題[5]。

1.1 名義應(yīng)力法

名義應(yīng)力法是一種傳統(tǒng)簡(jiǎn)單的疲勞分析方法，并在逐步發(fā)展的過程中還出現(xiàn)了應(yīng)力嚴(yán)重系數(shù)法（SSF法）。首先，需要通過對(duì)無人機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)的有限元分析來確定結(jié)構(gòu)的疲勞危險(xiǎn)部位，通?？梢酝ㄟ^查閱相關(guān)手冊(cè)來確定疲勞危險(xiǎn)部位的應(yīng)力集中系數(shù)，查取不到則可以采用有限元分析進(jìn)行計(jì)算。再分析確定無人機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)的載荷譜，載荷譜就是作用在結(jié)構(gòu)上的載荷－時(shí)間歷程。然后，根據(jù)結(jié)構(gòu)載荷譜來計(jì)算得出機(jī)翼結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)部位的名義應(yīng)力譜，然后再結(jié)合與機(jī)翼危險(xiǎn)部位相同的應(yīng)力集中系數(shù)和應(yīng)力水平下的材料S-N曲線，得到危險(xiǎn)部位的S-N曲線，采用Miner線性疲勞損傷累積理論來求出無人機(jī)機(jī)翼危險(xiǎn)疲勞部位的疲勞壽命。

無人機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)里通常包含了連接部位，而SSF法是主要應(yīng)用于結(jié)構(gòu)連接部位而發(fā)展出來的疲勞壽命分析方法，實(shí)質(zhì)是利用SSF值替代了應(yīng)力集中系數(shù)，再使用連接件的S-N曲線來計(jì)算出連接部位的疲勞壽命，其關(guān)鍵就是求出連接部位的SSF值。

名義應(yīng)力法的原理比較直觀且容易掌握，因?yàn)槠渥钤绯霈F(xiàn)也累積了豐富的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。但預(yù)測(cè)疲勞裂紋形成壽命的名義應(yīng)力法不穩(wěn)定，需要花費(fèi)大量的時(shí)間和經(jīng)費(fèi)來獲得相應(yīng)的材料S-N曲線，且精度較低，常用于篩選結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)部位。

1.2? 局部應(yīng)力應(yīng)變法

無人機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)的疲勞破壞大多數(shù)情況下是出現(xiàn)在局部部位累積的疲勞損傷，這些局部部位在載荷的作用下不再是線彈性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，而是產(chǎn)生了塑性應(yīng)變，如果在疲勞壽命分析計(jì)算中考慮這些部位塑性應(yīng)變的影響則需要使用局部應(yīng)力應(yīng)變法，其基本理論仍然是采用Miner線性疲勞損傷累積理論。局部應(yīng)力應(yīng)變法是通過對(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析得出局部危險(xiǎn)部位的名義應(yīng)力譜，再采用彈塑性有限元分析計(jì)算出局部應(yīng)力應(yīng)變譜，查取當(dāng)前應(yīng)力應(yīng)變水平下的ε-N曲線和應(yīng)用線性累計(jì)損傷理論最終計(jì)算分析結(jié)構(gòu)的疲勞壽命[6]。

目前局部應(yīng)力應(yīng)變法已發(fā)展為一種精度較高的估算疲勞裂紋形成壽命的方法，試驗(yàn)工作量較小，同時(shí)直接應(yīng)用危險(xiǎn)部位的局部真實(shí)應(yīng)力、應(yīng)變，可以比較真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)的疲勞損傷狀態(tài)，而且在工程上得到了廣泛的應(yīng)用。但仍有著不能考慮應(yīng)力集中處的應(yīng)力梯度和多軸應(yīng)力的影響及對(duì)某些情況計(jì)算結(jié)果精度穩(wěn)定性較差的缺陷。

以上2種常用的結(jié)構(gòu)疲勞分析方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際運(yùn)用中可以根據(jù)不同的工程情況來使用對(duì)應(yīng)的方法?？偨Y(jié)下來，整個(gè)結(jié)構(gòu)疲勞分析的步驟如圖1所示。

2? 無人機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)疲勞分析

2.1? 機(jī)翼有限元分析

本文采用典型無人機(jī)機(jī)翼的平面形狀為矩形翼，翼型為NACA2414，翼弦200 mm，其機(jī)翼結(jié)構(gòu)經(jīng)過簡(jiǎn)化后由蒙皮、主副翼梁、翼肋等主要構(gòu)件組成。由于無人機(jī)機(jī)翼關(guān)于機(jī)體縱軸對(duì)稱，在巡航飛行的過程中受力也是對(duì)稱分布，為了簡(jiǎn)化運(yùn)算，取無人機(jī)的右翼結(jié)構(gòu)運(yùn)用CATIA軟件建模后如圖2所示。無人機(jī)機(jī)翼的翼梁主要承擔(dān)機(jī)翼在各種載荷作用下的大部分彎矩和剪力，是機(jī)翼結(jié)構(gòu)的主要承力件；翼肋主要確定了機(jī)翼剖面的氣動(dòng)外形，為展向翼梁和蒙皮提供穩(wěn)定性支持；蒙皮用來構(gòu)成機(jī)翼輪廓外形和承受局部空氣動(dòng)力。機(jī)翼材料均采用鋁合金。

在無人機(jī)的巡航飛行過程中，其機(jī)翼承受的主要載荷分布為慣性力和氣動(dòng)載荷，而兩者的作用方向相反，慣性力來源于機(jī)翼結(jié)構(gòu)的自重。

本文利用ANSYS Workbench有限元計(jì)算，結(jié)合流固耦合的分析方法，先求解無人機(jī)機(jī)翼飛行中所受的氣動(dòng)載荷，然后再加載到機(jī)翼結(jié)構(gòu)上，得到其受力強(qiáng)度分析[7]。流固耦合可以理解為固體和流體的共同求解，兩者都不能忽略模擬問題。因?yàn)樾枰瑫r(shí)考慮流體和固體的結(jié)構(gòu)特性，流固耦合可以有效節(jié)約分析時(shí)間和成本，同時(shí)保證結(jié)果更接近于物理現(xiàn)象本身的規(guī)律[8]，所以近年來流固耦合分析在工程設(shè)計(jì)特別是仿真設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越來越廣泛和深入。流固耦合可以分為單向和雙向2種情況分析，本文中機(jī)翼結(jié)構(gòu)飛行過程中對(duì)空氣的影響較小，可以忽略不計(jì)，因此采用單向流固耦合分析。在Fluent流體分析軟件中設(shè)置無人機(jī)機(jī)翼的飛行迎角為3°，馬赫數(shù)為0.4，并采用Spalart-Allmaras湍流模型，該模型比較簡(jiǎn)單，常用于有壁面限制的流動(dòng)問題，對(duì)飛機(jī)翼型的邊界層計(jì)算有較為理想的計(jì)算效果[9]。

最終運(yùn)算得出無人機(jī)機(jī)翼翼型的壓力分布圖，如圖3所示，在無人機(jī)飛行過程中，氣流接觸到機(jī)翼前緣后被機(jī)翼分成2部分流動(dòng)，因此前緣受到的氣壓值最大，氣流流速在機(jī)翼上表面比下表面要快，故上表面壓力值最小，上下壓差形成無人機(jī)機(jī)翼的升力，該計(jì)算結(jié)果符合飛機(jī)繞流的基本規(guī)律。

在ANSYS Workbench結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析處理中，本文把無人機(jī)機(jī)翼的各部件之間的接觸通過耦合約束來建立，并將機(jī)翼結(jié)構(gòu)作為一個(gè)一端與機(jī)身固定連接，另一端自由的整體懸臂梁結(jié)構(gòu)[10]。在無人機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)上加載Fluent流體分析計(jì)算出來的氣動(dòng)載荷，最終求解得出機(jī)翼強(qiáng)度分析結(jié)果，其機(jī)翼結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力的變化情況如圖4所示，可以看出在機(jī)翼結(jié)構(gòu)中，高應(yīng)力主要集中在機(jī)翼蒙皮和主副翼梁，蒙皮越靠近翼根的位置，其所受的應(yīng)力就越大；與機(jī)身連接的主翼梁的根部為整個(gè)機(jī)翼結(jié)構(gòu)應(yīng)力和應(yīng)變最大值處，同時(shí)靠近機(jī)翼翼根并與翼梁連接的翼肋部位應(yīng)力應(yīng)變的大小也值得關(guān)注。從圖4也可以看出，機(jī)翼結(jié)構(gòu)所承受的最大等效應(yīng)力小于鋁合金材料的屈服強(qiáng)度，因此，可以把機(jī)翼的結(jié)構(gòu)疲勞視為高周疲勞分析問題，采用基于材料S-N曲線的名義應(yīng)力法來計(jì)算機(jī)翼結(jié)構(gòu)的損傷和疲勞壽命。

（a）? 機(jī)翼整體應(yīng)力云圖

（b）? 機(jī)翼內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

2.2? 機(jī)翼疲勞分析

根據(jù)前面相關(guān)的疲勞壽命分析理論，無人機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)的疲勞分析需要用到對(duì)應(yīng)的材料性能數(shù)據(jù)S-N曲線和疲勞載荷歷程。nCode疲勞分析依托于ANSYS Workbench有限元分析，包括了眾多的材料種類及豐富的材料性能數(shù)據(jù)。本文采用的無人機(jī)機(jī)翼材料為鋁合金，由于輕質(zhì)高強(qiáng)度的特點(diǎn)使其在航空航天領(lǐng)域中得到廣泛使用。材料鋁合金的彈性模量為71 GPa，泊松比為0.33。從ANSYS Workbench中查取Aluminum Alloy并獲得相應(yīng)的應(yīng)力壽命S-N曲線。

載荷歷程，也稱載荷譜，對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞分析的影響較大，作為疲勞分析的重要因素，決定了結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析結(jié)果的準(zhǔn)確度。nCode疲勞分析軟件可以定義不同類型的載荷歷程，分別為時(shí)間序列載荷譜、時(shí)間步長(zhǎng)載荷譜、恒定幅值載荷譜等。本文無人機(jī)機(jī)翼采用靜態(tài)疲勞分析，在nCode疲勞分析中導(dǎo)入之前運(yùn)算得出的機(jī)翼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析結(jié)果，由于在常溫環(huán)境下，載荷譜的波形對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的影響很小，故使用正弦波形[11]，創(chuàng)建恒幅正弦疲勞載荷譜。并采用Goodman理論來修正平均應(yīng)力，該理論作出的疲勞分析偏保守，在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用較廣。

結(jié)合上述的材料S-N曲線和疲勞載荷譜，本文采用Minert線性累積損傷理論對(duì)機(jī)翼結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞強(qiáng)度估算，在nCode中設(shè)定好各模塊的參數(shù)后，提交運(yùn)算可得機(jī)翼疲勞累積損傷云圖和疲勞壽命云圖，如圖5、圖6所示。

從疲勞損傷云圖和疲勞壽命云圖可以看出，本文無人機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)越靠近翼根部位區(qū)域的疲勞損傷值就越大，其中損傷最大在主翼梁的根部，其原因應(yīng)該是沿展向分布的大部分氣動(dòng)載荷集中在靠近機(jī)身的機(jī)翼部分，而機(jī)翼翼尖部分的氣動(dòng)載荷較小，機(jī)翼氣動(dòng)載荷沿翼展分布是不均勻的，這是由于無人機(jī)飛行時(shí)，機(jī)翼下表面的高壓氣流會(huì)繞過機(jī)翼翼尖而流向上翼面低壓區(qū)，使翼尖部分上下表面的壓強(qiáng)趨于平衡，升力趨于零?？拷砑飧浇钠渌拭骘@然也要受到不同程度的影響，離翼尖越遠(yuǎn)，影響越小。而機(jī)翼結(jié)構(gòu)疲勞壽命的最小值出現(xiàn)在主翼梁與機(jī)身連接的根部，同時(shí)也是應(yīng)力值最大處，其值為9.421×107次循環(huán)。

3? 結(jié)束語

本文結(jié)合了有限元計(jì)算和疲勞分析理論，對(duì)無人機(jī)機(jī)翼有限元計(jì)算分析可以得出以下結(jié)論。

1）機(jī)翼是無人機(jī)在飛行過程中的關(guān)鍵承力部件，其結(jié)構(gòu)的安全可靠性往往也決定了整個(gè)無人機(jī)的安全可靠性。根據(jù)無人機(jī)機(jī)翼的氣動(dòng)計(jì)算結(jié)果和機(jī)翼材料的屬性參數(shù)，本文通過nCode疲勞分析軟件對(duì)無人機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)的疲勞損傷和疲勞壽命進(jìn)行估算分析，可以得出應(yīng)力最大的同時(shí)最為危險(xiǎn)處是機(jī)翼主副翼梁的根部，以及靠近機(jī)身處的翼肋與翼梁的連接位置也值得讓人關(guān)注，該無人機(jī)機(jī)翼疲勞損傷和疲勞壽命的值基本滿足結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)的要求，本文結(jié)合有限元分析和疲勞設(shè)計(jì)的方法，可以給無人機(jī)的疲勞設(shè)計(jì)提供新的思路和解決方法，進(jìn)一步優(yōu)化無人機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2）在實(shí)際工程應(yīng)用中，無人機(jī)的疲勞載荷工況會(huì)更加復(fù)雜多變，因此，本文對(duì)無人機(jī)實(shí)際載荷譜的獲取仍不夠完善，如果要想得到更加準(zhǔn)確的無人機(jī)機(jī)翼?yè)p傷和疲勞壽命，必須對(duì)無人機(jī)的飛行過程做出準(zhǔn)確的模擬，例如突風(fēng)載荷和發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)載荷等，這樣才能得到更加準(zhǔn)確的載荷譜，使疲勞分析結(jié)論具有更高的可信度。這也是下一步的研究方向。

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自動(dòng)駕駛技術(shù)是未來道路交通的重要關(guān)鍵技術(shù)，車輛所在車道的識(shí)別是自動(dòng)駕駛技術(shù)的一大基石。對(duì)于道路隱形指示標(biāo)志的合理使用，可有效彌補(bǔ)現(xiàn)有道路顯形標(biāo)志標(biāo)線存在的問題，提高交通標(biāo)志的使用壽命，完善了智慧交通領(lǐng)域的基本組成。

1? 交通標(biāo)志的發(fā)展歷程

交通標(biāo)志起源于德國(guó)，距今已有80多年的歷史。在早期西方工業(yè)社會(huì)，道路邊線的設(shè)計(jì)和涂劃相對(duì)簡(jiǎn)單，交通管理部門僅在道路上施劃中心線及人行橫道線。自西方工業(yè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)危機(jī)結(jié)束至第二次世界大戰(zhàn)全面爆發(fā)前，道路交通快速發(fā)展，這一時(shí)期的道路已有同向多車道，交通管理部門通過涂劃道路交通標(biāo)志起到分隔車道的作用，從而保障同方向行駛車輛安全。隨后，標(biāo)志由最初的單實(shí)線逐漸補(bǔ)充了虛線和雙實(shí)線，標(biāo)志的顏色也從單純白色到現(xiàn)在的白、黃、紅和藍(lán)等顏色。

2? 現(xiàn)有交通標(biāo)志的缺陷

近年來，隨著交通事業(yè)的蓬勃發(fā)展和對(duì)出行體驗(yàn)、道路運(yùn)輸效率的重視，人們對(duì)道路標(biāo)志的要求逐漸提高，而伴隨著自動(dòng)駕駛及相關(guān)智能化產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，能否準(zhǔn)確、快速地識(shí)別道路標(biāo)志，并基于識(shí)別結(jié)果引導(dǎo)駕駛行為，日趨成為交通安全的重要前提。現(xiàn)有交通標(biāo)志是基于可見光頻譜內(nèi)的人眼（攝像系統(tǒng)）識(shí)別的標(biāo)志，即顯形交通標(biāo)志。當(dāng)前道路車道識(shí)別技術(shù)依賴于路面標(biāo)志線的識(shí)別，包括車道標(biāo)志線、交通標(biāo)志線等。目前，現(xiàn)行道路交通標(biāo)志線，其性能是得到了充分驗(yàn)證的，也成為了道路交通的一大基本要素。但現(xiàn)有道路標(biāo)志線難以克服以下幾個(gè)問題。

2.1? 氣象環(huán)境影響

標(biāo)志標(biāo)線受霧氣、雨水、冰雪、霧霾和沙塵等氣象影響服役性能大幅下降。交通標(biāo)志正常服役的基礎(chǔ)是可識(shí)別性，在可見光視覺感知條件下，無論是駕駛員可識(shí)別還是人工智能可識(shí)別，都需要標(biāo)志標(biāo)線的完整、清晰和連續(xù)可視。而受惡劣氣象環(huán)境影響，駕駛員和圖像識(shí)別系統(tǒng)無法視覺觀測(cè)到道路前方連續(xù)清晰的道路表面顯形交通標(biāo)志標(biāo)線及視覺區(qū)域范圍內(nèi)的交通標(biāo)志標(biāo)線，這對(duì)于交通安全是一巨大隱患[1-3]。

2.2? 復(fù)雜交通環(huán)境影響

主要受一定范圍其他車輛遮蔽和阻擋的視覺感知，如城市道路中前方公交車對(duì)隨后小型車的視覺遮擋，跨線車輛對(duì)后方攝像頭和其他傳感器的影響。在復(fù)雜車流環(huán)境下，高精度和低延遲就成為了首要的自動(dòng)駕駛需求[4-6]。

2.3? 標(biāo)志線工作狀態(tài)的影響

標(biāo)志線的污損及材料老化導(dǎo)致交通標(biāo)志線服役壽命不足。交通標(biāo)志正常服役的另一大基礎(chǔ)是連續(xù)性和服役期與有效壽命匹配?，F(xiàn)有交通標(biāo)志線在實(shí)際工作環(huán)境中，其壽命往往低于道路面層，需要反復(fù)涂劃，既影響交通通行，又增加了道路養(yǎng)護(hù)費(fèi)用，同時(shí)降低交通安全[7-8]。

因此，亟需一種不受交通載荷和路面環(huán)境影響且長(zhǎng)壽命的新型道路標(biāo)志。同時(shí)，隨著基于各類傳感器的計(jì)算機(jī)識(shí)別技術(shù)的高速發(fā)展，使得滿足自動(dòng)駕駛需求的新型標(biāo)志及識(shí)別系統(tǒng)已成為可能。

3? 道路隱形指示標(biāo)志的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

3.1? 道路隱形指示標(biāo)志的基本定義

道路隱形標(biāo)志是一種埋設(shè)于道路上面層之下，可以被車輛感知的交通標(biāo)志。相比于現(xiàn)有的涂劃于道路表面的道路標(biāo)志（顯形道路標(biāo)志），埋設(shè)在道路面層之下的交通標(biāo)志不可被人眼感知或圖像識(shí)別，因而命名為道路隱形標(biāo)志。道路隱形標(biāo)志的識(shí)別方式為傳感器識(shí)別，傳感器在完成識(shí)別后，可直接將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)并引導(dǎo)自動(dòng)駕駛?，F(xiàn)有道路標(biāo)志采用的識(shí)別技術(shù)路線為：首先通過視覺或視覺仿生傳感器獲得路面標(biāo)志的圖像，通過駕駛員或圖像處理手段獲得圖像信號(hào)，再將獲得的圖像信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)或電信號(hào)，進(jìn)而對(duì)駕駛行為進(jìn)行決策，最終表現(xiàn)為一般的駕駛行為；道路隱形標(biāo)志則直接獲得路面以下的信號(hào)，將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)或數(shù)字信號(hào)，并傳遞給駕駛員或直接接入自動(dòng)駕駛的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行決策，最終也表現(xiàn)為一般的駕駛行為。道路隱形標(biāo)志與顯形標(biāo)志的明顯區(qū)別在于無須進(jìn)行圖像識(shí)別，從底層邏輯優(yōu)化了道路標(biāo)志的信號(hào)轉(zhuǎn)化，提高了響應(yīng)速度。

3.2? 道路隱形指示標(biāo)志的幾何設(shè)計(jì)

為了確保道路隱形指示標(biāo)志的基本定位能力，其幾何特性是最重要的設(shè)計(jì)指標(biāo)。圖1展示了道路隱形指示標(biāo)志設(shè)計(jì)過程中最基本的5個(gè)幾何特征：標(biāo)志的數(shù)量（N）、標(biāo)志的長(zhǎng)度（L）、標(biāo)志的寬度（W）和同一組道路隱形標(biāo)志塊內(nèi)部各標(biāo)志的間距（D）和相鄰組道路隱形標(biāo)志塊外部的標(biāo)志間距（M）。通過與行駛速度和步進(jìn)頻率測(cè)試方法的耦合，可以完美匹配獲取上述幾何特性，這為后續(xù)精確定位提供了基礎(chǔ)。在這種設(shè)計(jì)方案中，所有標(biāo)志都設(shè)置在行車道的中間，其目的是確保所有類型的汽車都能識(shí)別這些信息。同時(shí)，幾何設(shè)計(jì)的總寬度不宜過大，以便提高傳感器與車輛耦合過程中的適配性。上述5個(gè)基本的幾何特征可以滿足對(duì)車道寬度、車輛位置和行駛速度的要求。同時(shí)，道路隱形標(biāo)志檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)編碼的基本要求是確保信息密度。如圖1所示的道路隱形指示標(biāo)志幾何設(shè)計(jì)方法，其編碼具體方式為存在性編碼，即所在位置是否具有可識(shí)別的標(biāo)志，具有可識(shí)別性則輸出1，不具有可識(shí)別性則輸出0，則在標(biāo)志數(shù)量設(shè)計(jì)為8時(shí)即可形成一個(gè)八位二進(jìn)制編碼。利用八位二進(jìn)制編碼的不同組合形式可以有效進(jìn)行車道導(dǎo)向和地理位置導(dǎo)向（表1）。

（a）? 道路隱形指示標(biāo)志設(shè)計(jì)的立面圖

（b）? 道路隱形指示標(biāo)志設(shè)計(jì)的平面圖

目前使用的道路交通標(biāo)志的總數(shù)還比較少，這使得八位編碼可以有效地表示現(xiàn)有的交通標(biāo)志。通過道路隱形指示標(biāo)志的設(shè)計(jì)和使用，將有效提高自動(dòng)駕駛的駕駛行為決策的效率，從而提高復(fù)雜環(huán)境下的道路行車安全。

對(duì)比現(xiàn)有顯形道路標(biāo)線所存在的老化開裂、易磨損、雨夜反光性不足和振蕩標(biāo)線失能等安全隱患，道路隱形標(biāo)志的一個(gè)顯著特點(diǎn)是具有長(zhǎng)壽命性。其布設(shè)原則是將道路隱形標(biāo)志置于上層路面之下，該設(shè)計(jì)目標(biāo)是保證道路隱形標(biāo)志能夠被檢測(cè)到，同時(shí)又得益于上層路面的保護(hù)，有效地延長(zhǎng)了道路隱形標(biāo)志的使用壽命。從理論上講，道路隱形標(biāo)志的使用壽命和上面層的使用壽命基本相同。進(jìn)而，道路隱形標(biāo)志可以延長(zhǎng)交通標(biāo)志的使用壽命，避免現(xiàn)有顯形道路存在的因標(biāo)志性能下降而導(dǎo)致交通安全隱患的問題，進(jìn)而提高道路交通安全和通行能力。

3.3? 道路隱形指示標(biāo)志的材料設(shè)計(jì)

道路隱形指示標(biāo)志的具體涂劃材料應(yīng)當(dāng)經(jīng)過反復(fù)多次的材料試驗(yàn)決定。本文提出基于瞬變電磁法（TEM）測(cè)試時(shí)的材料關(guān)鍵屬性。TEM測(cè)試感應(yīng)電壓V算法如下

V（t）=■， （1）

式中：k1為常數(shù)；I為發(fā)射電流；q為線圈面積；σ 為介質(zhì)電導(dǎo)率；t 為時(shí)間。

而TEM測(cè)試過程中一次場(chǎng)的傳播τ速度為

？子=2？仔?， （2）

式中：ρ為均質(zhì)介質(zhì)的電阻率；μ0為介質(zhì)的磁導(dǎo)率，在空氣中等于 4 π×107 h/m；t為瞬時(shí)場(chǎng)的擴(kuò)散時(shí)間。

上述公式表明，檢測(cè)的具體內(nèi)容與被穿透層的電導(dǎo)率、電阻率和磁導(dǎo)率密切相關(guān)?，F(xiàn)有的研究表明，瀝青材料的介電常數(shù)[9]約為 2.8～3，而瀝青混凝土材料的介電常數(shù)[10-12]為4.5～8。金屬材料的介電常數(shù)與瀝青混凝土的介電常數(shù)明顯不同，因此可以產(chǎn)生一個(gè)明顯的感應(yīng)電場(chǎng)（二次場(chǎng)）。基本原理圖如圖2所示。

3.4? 道路隱形指示標(biāo)志的檢測(cè)與識(shí)別

道路隱形標(biāo)志的識(shí)別精度和速度是整體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)?，F(xiàn)有技術(shù)表明，三維探地雷達(dá)（3D Ground-Penetrating Rader， 即3D GPR）在識(shí)別異介質(zhì)層的形狀和深度的能力是卓越的[13]，這為道路隱形指示標(biāo)志的探測(cè)提供了高可行性；同時(shí)，經(jīng)過一系列的初步技術(shù)驗(yàn)證，電磁探測(cè)設(shè)備也具有探測(cè)金屬介質(zhì)或其他可以激發(fā)二次場(chǎng)介質(zhì)材料幾何特性的性能，電磁探測(cè)設(shè)備主要采用的探測(cè)方法包括瞬變電磁法（TEM）、平衡線圈法（Balanced Coil， BC）等。相比于探地雷達(dá)，電磁檢測(cè)的方法更具有經(jīng)濟(jì)性，但其精度受地下介質(zhì)的復(fù)雜程度、設(shè)備的靈敏度等因素的影響，因此，需要通過不斷實(shí)驗(yàn)來優(yōu)化提高電磁檢測(cè)的精度以滿足不同場(chǎng)景下的特定需求。兩者的設(shè)計(jì)檢測(cè)方法如圖3所示。

三維探地雷達(dá)（3D GPR）的基本組成包括發(fā)射天線、接收天線和圖像處理設(shè)備，其工作原理是：利用發(fā)射天線發(fā)射電磁波，由于不同層間的介電常數(shù)不同，其層與層之間會(huì)發(fā)生反射和折射，再通過接收天線接收這些返回的回波（A-掃描信號(hào)），并對(duì)回波進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后形成B-掃描圖像，即完成了對(duì)不同目標(biāo)的探測(cè)、識(shí)別和定位工作。其工作原理如圖4所示。

（a）? 三維步進(jìn)探測(cè)方案

（b）? 探測(cè)器具體排布方案

相比于普通的探地雷達(dá)（GPR）技術(shù)，三維探地雷達(dá)（3D GPR）具有下述更突出的優(yōu)勢(shì)。

1）雷達(dá)信號(hào)源輸出的頻率分量可以精確控制，而且每個(gè)頻率分量的能量相等。

2）通過控制雷達(dá)主機(jī)的信號(hào)帶寬，可以有效抑制噪聲，從而提高靈敏度。

3）探地雷達(dá)信號(hào)是一種頻域信號(hào)，可以方便地應(yīng)用頻域的信號(hào)處理方法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，100 MHz～3 GHz，可由用戶根據(jù)需求設(shè)定，同時(shí)兼顧探測(cè)深度和高分辨率的需要。

同時(shí)，在三維GPR方法中采用了階梯式頻率脈沖測(cè)試方法。階梯式頻率脈沖是指GPR的工作頻率以階梯式方式進(jìn)行，GPR發(fā)出的信號(hào)從起始頻率（f. start）到終止頻率（f. stop），在一個(gè)掃描周期內(nèi)的頻率間隔Δf，而其工作帶寬B和頻率間隔Δf為

， （3）

式中：B為工作帶寬；f. start為起始頻率；f. stop為終止頻率；Δf為頻率間隔；N為步進(jìn)頻率次數(shù)。

同時(shí)，使用數(shù)字頻率信號(hào)源代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鎖相循環(huán)，步進(jìn)頻率的三維探地雷達(dá)可以產(chǎn)生0.5～10 ms的掃描周期，包含1 500個(gè)從100 MHz～3 GHz不同頻率的信號(hào)。由于步進(jìn)頻率的三維探地雷達(dá)是一個(gè)同相位接收器，保證了整個(gè)掃描周期的信號(hào)在毫秒內(nèi)可以被完全利用。同時(shí)，步進(jìn)頻率掃描技術(shù)可以通過編程以控制測(cè)試性能，針對(duì)不同的測(cè)試目的，使用不同的頻率范圍來控制整個(gè)頻譜。步進(jìn)頻率信號(hào)模型如圖5所示，初始頻率f0，步進(jìn)頻率為Δf，第n個(gè)時(shí)間段的頻率為f0+（n-1）Δf。

與三維探地雷達(dá)技術(shù)相比，電磁探測(cè)技術(shù)采用不同磁通量對(duì)應(yīng)于不同的電磁場(chǎng)的基本原理，其突出優(yōu)勢(shì)在于其成本低。瞬變電磁法（TEM）和平衡線圈法（BC）是電磁探測(cè)技術(shù)采用的2種主要探測(cè)方法，2種探測(cè)方法應(yīng)用于道路隱形標(biāo)志方面各有優(yōu)劣勢(shì)。

瞬變電磁法（TEM）也稱時(shí)域電磁法（Time Domain Electromagnetic Method）。瞬變電磁法共使用2個(gè)線圈進(jìn)行接收，一個(gè)為不接地的返回線圈，另一個(gè)為恢復(fù)線圈。不接地的回流線圈發(fā)射一個(gè)脈沖電場(chǎng)（主場(chǎng)）來激發(fā)被測(cè)物并產(chǎn)生一個(gè)二次場(chǎng)。恢復(fù)線圈接收二次場(chǎng)在發(fā)射脈沖之間的時(shí)間變化。通過分析接收到的二次場(chǎng)數(shù)據(jù)，可以確定異常電場(chǎng)的位置，從而發(fā)現(xiàn)該物體。瞬變電磁法工作示意圖如圖6所示。

平衡線圈法的工作原理如圖 7 所示。發(fā)射線圈和接收線圈在自下而上的方向上相互平行排列。一對(duì)雙胞胎接收線圈使用平衡差分連接到一個(gè)差分放大器電路。當(dāng)沒有金屬時(shí)，發(fā)射線圈的磁場(chǎng)在雙子接收線圈中感應(yīng)出大小相等但方向相反的電動(dòng)勢(shì)。這導(dǎo)致感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相互抵消，接收線圈的磁場(chǎng)處于平衡狀態(tài)。當(dāng)金屬物體進(jìn)入磁場(chǎng)范圍時(shí)，電磁感應(yīng)在金屬內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，產(chǎn)生渦流，從而激發(fā)變化磁場(chǎng)。由于金屬物體相對(duì)于2個(gè)接收線圈的位置不同，接收到的信號(hào)信息也有所不同。差分電路輸出的電平信號(hào)反映了金屬的大小和特性。2個(gè)接收線圈接收到的信號(hào)的振幅和相位根據(jù)金屬物體的位置、大小、導(dǎo)電性和滲透性而變化。這種振幅和相位信息被用來探測(cè)和區(qū)分金屬異物。與瞬變電磁法相比，平衡線圈法的探測(cè)深度較淺，但可用于大面積區(qū)域的快速探測(cè)。

4 道路隱形指示標(biāo)志的應(yīng)用與前景

4.1 檢測(cè)預(yù)期結(jié)果

三維探地雷達(dá)技術(shù)通過對(duì)不同探測(cè)方法的原理和技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行預(yù)估，將具有更高的預(yù)期結(jié)果或期望值。通過讀取編碼信息并將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，這一結(jié)果可以直接寫入自動(dòng)駕駛的駕駛行為決策數(shù)據(jù)庫(kù)中。同時(shí)，三維探地雷達(dá)技術(shù)的檢測(cè)結(jié)果也將通過中央處理器傳輸?shù)接脩艚缑?，以引?dǎo)駕駛員的行為。

瞬變電磁法、平衡線圈法等方法通過探測(cè)上面層下部的異質(zhì)材料，進(jìn)而獲得信號(hào)振幅以得到相對(duì)應(yīng)的道路隱形標(biāo)志。探測(cè)過程中將多個(gè)探測(cè)器以固定排列方式耦合，可以檢測(cè)整個(gè)行車道范圍內(nèi)的信號(hào)振幅變化。通過將圖8（a）所示的頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為圖8（b）所示的電平信號(hào)，可以有效地獲得關(guān)于標(biāo)記存在的信息。車輛前進(jìn)速度和探測(cè)周期的組合可以測(cè)試長(zhǎng)度，結(jié)果如圖8（c）和8（d）所示。瞬變電磁法和平衡線圈法可以有效地降低設(shè)備成本，同時(shí)為整個(gè)系統(tǒng)的簡(jiǎn)便化提供更為可靠的技術(shù)路線。

4.2? 布設(shè)位置預(yù)期成果

道路隱形標(biāo)志的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用了保護(hù)層設(shè)計(jì)的概念，如圖9所示。上層路面設(shè)計(jì)為保護(hù)層，以保證現(xiàn)有道路標(biāo)線和道路隱形標(biāo)志同時(shí)存在。瀝青混凝土路面上層的設(shè)計(jì)壽命不低于5 a，維護(hù)周期為2～3 a。道路隱形標(biāo)志的設(shè)計(jì)是與上層路面同時(shí)更換。根據(jù)彈性層體系理論和基本假設(shè)，鋪設(shè)在上層下面的道路隱形標(biāo)志材料幾乎不會(huì)被損壞，為其長(zhǎng)壽命提供了理論依據(jù)。道路隱形標(biāo)志系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)模型示意圖如圖10所示。利用道路隱形標(biāo)志幾何布設(shè)對(duì)應(yīng)的八位二進(jìn)制編碼進(jìn)行車道和相關(guān)經(jīng)緯度等地理位置的布設(shè)，通過現(xiàn)有GPS定位作為對(duì)應(yīng)位置的確認(rèn)以確保道路隱形標(biāo)志布設(shè)位置的準(zhǔn)確性。

4.3? 綜合應(yīng)用前景

關(guān)于自動(dòng)駕駛中的車輛定位的研究，各課題組都在快速展開并有效進(jìn)行。既往研究表明，車輛的精確空間定位需要多個(gè)傳感器之間的協(xié)作。本文描述的道路隱形標(biāo)志為車輛定位提供了一種新形式的基礎(chǔ)設(shè)施支持，其提供了超越現(xiàn)有標(biāo)線系統(tǒng)的車道間的精確定位和交通規(guī)劃潛力。道路隱形標(biāo)志體現(xiàn)了一種新形式的預(yù)感設(shè)計(jì)，通過提前編寫道路交通指令來規(guī)劃前方路線，并通過連續(xù)檢測(cè)為自動(dòng)駕駛提供連續(xù)的交通信息。現(xiàn)有的標(biāo)線系統(tǒng)受其視野的限制，不能有效地預(yù)測(cè)前方的情況，因此道路隱形標(biāo)志更適合未來的發(fā)展。

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